Реферат: Гравитация и электродинамика. Организация живой материи. Каталитические реакции


КОНТРОЛЬНАЯРАБОТА

«Концепции современногоестествознания»

Тема:Гравитация и электродинамика. Организация живой материи. Каталитические реакции


Оглавление

1  Гравитационное и электромагнитное взаимодействия

2  Уровни организации живой материи

1.1Молекулярный

1.2Субклеточный

1.3Клеточный

1.4Органотканевый

1.5 Организменный

1.6 Популяционно-видовой

1.7 Биоценотический,биогеоценотический

1.8 Биосферный

3 Пример несколькихкаталитических реакций. Принцип действия катализатора

Используемая литература


1 Гравитационное и электромагнитное взаимодействия

Фундаментальные взаимодействия — различные, не сводящиеся друг кдругу типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. Насегодня достоверно известно существование четырех фундаментальныхвзаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабоговзаимодействий, причём электромагнитное и слабое взаимодействия, вообще говоря,являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия. Ведутся поискидругих типов взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космическихмасштабах, однако пока существование какого-либо другого типа взаимодействия необнаружено.

Электромагнитное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальныхвзаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами,обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитноевзаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а толькопосредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поля электромагнитноевзаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которуюможно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотонэлектрическим зарядом не обладает, а значит не может непосредственновзаимодействовать с другими фотонами.

Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействииучаствуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон итау-частица (из фермионов), а также заряженые калибровочные бозоны.

Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого и сильноговзаимодействия своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия междудвумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (см.: законКулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационноевзаимодействие. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намногосильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитноевзаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах —электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселеннойс высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательныхзарядов.

В классических (неквантовых) рамках электромагнитноевзаимодействие описывается классической электродинамикой.

Краткая сводка основных формул классической электродинамики

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует силаАмпера:

/>

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует силаЛоренца:

/>

Гравита́ция (всеми́рное тяготе́ние,тяготе́ние) (от лат. gravitas — «тяжесть») — дальнодействующеефундаментальное взаимодействие, которому подвержены все материальные тела. Посовременным представлениям, является универсальным взаимодействием материи спространственно-временным континуумом, и, в отличие от других фундаментальныхвзаимодействий, всем без исключения телам, независимо от их массы и внутреннейструктуры, в одной и той же точке пространства и времени придаёт одинаковоеускорение относительно локально-инерциальной системы отсчёта — принципэквивалентности Эйнштейна. Главным образом, определяющее влияние гравитацияоказывает на материю в космических масштабах. Термин гравитация используется такжекак название раздела физики, изучающего гравитационное взаимодействие. Наиболееуспешной современной физической теорией в классической физике, описывающейгравитацию, является общая теория относительности, квантовая теориягравитационного взаимодействия пока не построена.

Гравитационное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальныхвзаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики, гравитационноевзаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, которыйгласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точкамимассы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам иобратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть

/>

/>

Здесь G — гравитационная постоянная, равная примерно 6,6725 *10/>м³/(кг•с²).

Закон всемирного тяготения — одно из приложений закона обратныхквадратов, встречающегося так же и при изучении излучений, и являющимся прямымследствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, чтоприводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадьвсей сферы.

Поле тяжести потенциально. Это значит, что можно ввестипотенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменитсяпосле перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность поля тяжестивлечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии ипри изучении движения тел в поле тяжести часто существенно упрощает решение. Врамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие являетсядальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, влюбой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положениятела в данный момент времени.

Большие космические объекты — планеты, звезды и галактики имеютогромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку онодействует на любых расстояниях и все массы положительны, это тем не менее оченьважная сила во Вселенной. Для сравнения: полный электрический заряд этих телноль, так как вещество в целом электрически нейтрально.

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальнав действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообщеотсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такиекрупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширениеВселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и запростое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математическойтеорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разнойскоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, чтоэто не так — если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряютсяодинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывалобщее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теориюотносительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометриипространства-времени.


2 Уровни организации живой материи

 

Cложившееся к 60-м гг. 20 в. представление о структурности живого.Жизнь на Земле представлена индивидуумами определённого строения, принадлежащимик определённым систематическим группам, а также сообществами разной сложности.Индивидуумы обладают молекулярной, клеточной, тканевой, органнойструктурностью; сообщества бывают одновидовые и многовидовые. Индивидуумы исообщества организованы в пространстве и во времени. По подходу к их изучениюможно выделить неск. основных У. о. ж. м. на базе разных способовструктурно-функционального объединения составляющих элементов: молекулярный,субклеточный, клеточный, органотканевый, организменный, популяционно-видовой,биоценотический, биогеоценотический, биосферный.

2.1 Молекулярный

Любая живая система, как бы сложно она ни была организована,состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков,полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровняначинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ ипревращение энергии, передача наследственной информации и др.

Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии,изучающей строение белков, их функции как ферментов или элементов цитоскелета,роль нуклеиновых кислот в хранении, репликации и реализации генетическойинформации, т. е. процессы синтеза ДНК, РНК и белков. На этом уровне достигнутыбольшие практические успехи в области биотехнологии и генной инженерии.


2.2 Субклеточный

 

На уровне субклеточных, или надмолекулярных, структур изучаютстроение и функции органоидов (хромосом, митохондрий, рибосом и др.), а такжедр. включений клетки.

 2.3 Клеточный

Клетка — структурная и функциональная единица, а также единицаразвития всех живых организмов, обитающих на Земле. На клеточном уровнесопрягаются передача информации и превращение веществ и энергии

Особый У. о. ж. м.— клеточный; биология клетки (цитология) — одиниз основных разделов современной биологии, включает проблемы морфологическойорганизаций клетки, специализации клеток в ходе развития, функций клеточноймембраны, механизмов и регуляции деления клетки. Эти проблемы имеют особенноважное значение для медицины, в частности, составляя основу проблемы рака.

Изучение клеток, выступающих в роли самостоятельных организмов(бактерии, простейшие и некоторые другие организмы) и клеток, составляющихмногоклеточные организмы.

2.4 Органотканевый

Клетки, имеющие общее происхождение и выполняющие сходные функции,образуют ткани. Выделяют несколько типов животных и растительных тканей, обладающихразличными свойствами.

У организмов, начиная с кишечнополостных, формируются органы(системы органов), часто из тканей различных типов.

Клетки многоклеточных организмов образуют ткани — системы сходныхпо строению и функциям клеток и связанных с ними межклеточных веществ. Тканиинтегрируются в более крупные функциональные единицы, называемые органами.Внутренние органы характерны для животных; здесь они входят в состав системорганов (дыхательной, нервной и пр.). Например, система органов пищеварения — полость рта, глотка, пищевод, желудок, двенадцатиперстная кишка, тонкая кишка,толстая кишка, заднепроходное отверстие. Подобная специализация, с однойстороны, улучшает работу организма в целом, а с другой — требует повышениястепени координации и интеграции различных тканей и органов.

На органотканевом уровне основные проблемы заключаются в изученииособенностей строения и функций отдельных органов и составляющих их тканей.

2.5 Организменный

Этот уровень представлен одноклеточными и многоклеточнымиорганизмами.

Элементарной единицей организменного уровня служит особь, котораярассматривается в развитии — от момента зарождения до прекращения существования- как живая система. Возникают системы органов, специализированных для выполненияразличных функций.

Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общимместом обитания, в которой создается популяция — надорганизменная система. Вэтой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.

На организменном уровне изучают особь и свойственные ей как целомучерты строения, физиол. процессы, в т. ч. дифференцировку, механизмы адаптации(акклимации) и поведения, в частности — нейрогумоарльные механизмы регуляции,функции ЦНС.

 
2.6 Популяционно-видовой

Организмы одного и того же вида, совместно обитающие вопределенных ареалах, составляют популяцию. Сейчас на Земле насчитывают около500 тыс. видов растений и около 1,5 млн. видов животных.

На популяционно-видовом уровне изучают факторы, влияющие начисленность популяций, проблемы сохранения исчезающих видов, динамикигенетического состава популяций, действие факторов микроэволюции и т. д. Дляхозяйственной деятельности человека важны такие проблемы популяционнойбиологии, как контроль численности видов, наносящих ущерб хозяйству,поддержание оптимальной численности эксплуатируемых и охраняемых популяций.

2.7 Биоценотический, биогеоценотический

Представлен совокупностью организмов разных видов, в той или инойстепени зависящих друг от друга.

Биогеоценоз — совокупность организмов разных видов и различнойсложности организации с факторами среды их обитания. В процессе совместногоисторического развития организмов разных систематических групп образуютсядинамичные, устойчивые сообщества.

На биогеоценотическом и биоценотическом уровнях ведущими являютсяпроблемы взаимоотношений организмов в биоценозах, условия, определяющие ихчисленность и продуктивность биоценозов, устойчивость последних и роль влиянийчеловека на сохранение биоценозов и их комплексов.


2.8 Биосферный

Высшая форма организации живого. Включает все биогеоценозы,связанные общим обменом веществ и превращением энергии.

Биосфера — совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающаявсе явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговоротвеществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живыхорганизмов.

На биосферном уровне современная биология решает глобальныепроблемы, например, определение интенсивности образования свободного кислородарастительным покровом Земли или изменения концентрации углекислого газа ватмосфере, связанного с деятельностью человека.

Разделение живой материи и проблем биологии по уровням организациихотя и отражает объективную реальность, но в то же время является условным, т.к. почти все конкретные задачи биологии касаются одновременно нескольких уровней,а нередко и всех сразу. Например, проблемы эволюции или онтогенеза не могутрассматриваться только на уровне организма, т. е. без молекулярного,субклеточного, клеточного, органотканевого, а также популяционно-видового ибиоценотического уровней; проблема регуляции численности опирается на молекулярныйуровень, но касается также всех вышестоящих, включая такие аспекты, как,например, загрязнение всей биосферы. По наличию специфических элементарныхединиц и явлений считается достаточным выделение 4 основных У. о. ж. м.(табл.). Представление об У. о. ж. м. наглядно отражает системный подход визучении живой природы


3 Пример нескольких каталитических реакций.Принцип действия катализатора

Для того чтобы прошла химическая реакция, нужно, чтобы молекулыстолкнулись. Из кинетической энергии таких столкновений можно почерпнутьэнергию, необходимую для того, чтобы разорвать или ослабить химические связи вмолекулах реагентов. В результате теплового движения за 1 с. происходяттриллионы столкновений молекул, лишь редкие из которых приводят к химическомупревращению. То есть реагируют только те молекулы, которые в моментстолкновения обладают достаточной суммарной энергией. Эта энергия, называемаяэнергией активации (Еа), характеризует ту минимальную энергию, которой должнаобладать молекула (или молекулы), чтобы вступить в химическую реакцию. Графическиэта величина соответствует величине барьера (образование переходногосостояния), который необходимо преодолеть для осуществления химической реакции.В результате многие даже термодинамически разрешенные (выгодные) реакциипрактически не идут из-за слишком высокой энергии активации.

Вспомним реакцию окисления аммиака, который способен гореть вчистом кислороде (с огромным трудом на воздухе) с образованием азота и паровводы. Реакция идет только при высокой температуре. Добавление же порошка оксидахрома (Cr/>O/>) приводит к «огненному дождю»из этих частиц. Идет реакция (экзотермическая, то есть с выделением теплоты),продукты которой содержат NO и воду. Оксид хрома, являющийся в реакциикатализатором, не изменяется, но направляет реакцию по энергетически болеевыгодному пути с меньшей энергией активации, при более низкой температуре вданном случае.

Важно отметить, что катализатор не расходуется и не изменяетразности свободных энергий начального и конечного состояний реакции, то есть невлияет на общие термодинамические характеристики реакции, в частности несмещает ее равновесие (изменяя лишь время выхода в равновесное состояние).Действие катализатора заключается в понижении энергии активации и означает, чтобольшая доля сталкивающихся молекул будет обладать достаточной энергией дляпреодоления барьера свободной энергии переходного состояния и протеканияреакции.

За счет чего катализатор может понижать барьер свободной энергии(или свободную энергию переходного состояния)? Он может взаимодействовать среагентами, давая принципиально иное переходное состояние или просто болеестабильное (и, следовательно, с более низкой свободной энергией), чемобразуемое в некаталитической реакции.

Рассмотрим некоторые основные механизмы катализа. Все они могутбыть обнаружены при изучении действия ферментов как катализаторов. Пример — реакция гидролиза сложного эфира:

R'COOR" + H/>O R'COOH + R«OH.

Эта реакция включает нуклеофильную атаку свободной паройэлектронов кислорода воды по углеродному остатку карбонила (имеет частичныйположительный заряд d+ в результате оттягивания электронной плотности на кислородныйатом), образование переходного состояния и далее продуктов реакции.

В образующемся переходном состоянии атакующая молекула водыприобретает положительный заряд, а кислород карбонильной группы — отрицательный. Такое переходное состояние крайне невыгодно, то есть егообразование требует высокой энергии активации. Это, в свою очередь, означает,что скорость реакции будет очень мала.

Использование катализатора в данном случае может существеннопомочь процессу. Каким образом?

1. Кислотно-основный катализ (под действием Н+ или ОН-);

а) кислоты могут временно давать протон молекуле эфира:

Протонированная форма эфира (более реакционноспособная) затематакуется молекулой воды аналогично схеме без катализатора с той лишь разницей,что переходное состояние недвухзарядное (более стабильное, чем предыдущее),следовательно, для такой реакции требуется меньшая энергия активации.

б) основания (ХО-) могут временно акцептировать протон (Н+),помогая стабилизировать двухзарядное переходное состояние, например такимобразом:

2. Электростатический катализ. Переходное состояние можностабилизировать электрическим полем иона, например положительно заряженныйкарбоний-ион (переходное состояние в случае катализа ферментом — лизоцимом)стабилизируется электрическим полем отрицательно заряженной карбоксильнойгруппы остатка аспарагиновой кислоты. Конечно, энергия электростатическоговзаимодействия двух точечных зарядов зависит от свойств среды (диэлектрической постоянной),в которой это взаимодействие происходит. В водной среде это взаимодействиеслабое, однако в органических растворителях, а также в активных центрахферментов оно может вносить существенный вклад.

3. Ковалентный катализ (электрофильный или нуклеофильный). Рольионов меди в предыдущем примере, помогающих оттянуть электроны из реакционногоцентра, можно обсуждать как форму электрофильного катализа.

Катализатор нуклеофильной природы, например третичный амин,имеющий неподеленную пару электронов на атоме азота, казалось бы, ничем неотличается от исходного реагента некаталитической реакции, в данном случаемолекулы воды.

Более того, в этом случае мы видим и двухзарядное переходноесостояние. Тем не менее реакция в присутствии катализатора идет, а при отсутствииего практически нет. Причина в том, что катализатор имеет более сильновыраженный нуклеофильный характер, чем атакующая группа (а следовательно,действует быстрее), а промежуточное соединение более реакционноспособное, чемисходное. Эффект повышения нуклеофильной способности тех или иных групп весьмаярко проявляется в ферментативном катализе. Более того, фермент можетодновременно использовать несколько различных механизмов катализа, повышаяэффективность химической реакции.

Действие ферментов, как и других катализаторов, как уже сказановыше, заключается в понижении свободной энергии активации реакции. Однакокартина протекания реакции в присутствии фермента (профиль изменения свободнойэнергии) выглядит сложнее, чем для обычных катализаторов.

Огромную роль в катализе ферментами играет то, что, собственно,происходит до начала химической реакции, а именно образование так называемогофермент-субстратного комплекса Почему? Дело в том, что в этом случаереагирующие частицы оказываются сближенными и сориентированными до началасобственно химической реакции. Высокий барьер свободной энергии разбивается нанесколько меньших, первый из которых характеризует неизбежные энергетическиепотери при сближении и ориентации молекул, связанные с затормаживанием ихпоступательного и вращательного движений. То есть в ферментативном катализеосуществляется перевод реакции во внутримолекулярный режим. Что дает такойперевод, отражает приведенный в качестве примера гидролиз аспирина.

4. Внутримолекулярный катализ. Гидролиз эфирной связи в случаеаспирина ускоряется за счет внутримолекулярного общеосновного катализа.

Оказывается, что простой перевод реакции гидролиза эфирной связиво внутримолекулярный режим приводит к увеличению ее скорости в 100 раз. Как иза счет чего осуществляется такой перевод в ферментах?

Ферменты, как и все белки, строятся из аминокислот, в пространствеони организованы (свернуты) особым образом (третичная и четвертичная структурыбелка). Высокая каталитическая активность ферментов обеспечивается функционированиемспециального участка — сложноорганизованного активного центра, в составкоторого входят аминокислотные остатки, часто весьма удаленные друг от друга впервичной полипептидной последовательности.

Выше мы выяснили, что для успешного нуклеофильного катализанеобходимо, чтобы катализатор был сильным нуклеофилом, по крайней мере болеесильным, чем исходный реагент. В то же время химические группы, формирующиеактивный центр фермента, сами по себе, как правило, являются слабымикатализаторами соответствующих реакций. И тем не менее ферментативный катализпо своей эффективности превосходит все известные катализаторы. Таким образом,действие фермента представляет собой хорошо отлаженную в пространстве и временисистему.

Как уже отмечалось, перевод реакции во внутримолекулярный режимприводит к ее ускорению.

Следует отметить также, что фермент, и в частности его активныйцентр, — это не некое застывшее образование. В ходе взаимодействия с субстратоми химической реакции в молекуле фермента могут происходить структурные(конформационные) изменения, которые удается в некоторых случаях зафиксироватьи которые свидетельствуют о неком „настраивании“ активного центра.

Таким образом, общие принципы катализа применимы и к действиюферментов. Однако различные факторы, способствующие протеканию реакции, вферментативном катализе действуют согласованно, а во многих случаях являютсясуммарным результатом ряда причин. Важнейшие из них: 1) многоточечноевзаимодействие с субстратом, приводящее к сближению и правильной ориентацииреагирующих групп; 2) перевод реакции во внутримолекулярный режим; 3)стабилизация переходного состояния реакции.


Используемая литература

 

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. М.:Центр, 2003.

2.  ДиксонМ., Уэбб Э. Ферменты. М.: Мир, 1982. Т. 1-3.

3. Лавриненко В.Н. Концепции современного естествознания. М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2006.

4. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.:ЮНИТИ, 2001.

5.  ФерштЭ. Структура и механизм действия ферментов. М.: Мир, 1980. 432 с.

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Фундаментальные_взаимодействия

7. http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/280.html

еще рефераты
Еще работы по биологии